[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbechers
mit einem Aussenrohr aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung und einer wenigstens
im Bereich des Mantels angeordneten Innenschicht aus einem abriebfesten und/oder elektrisch
leitenden, chemisch beständigen Material. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung
von Verbundbechern.
[0002] Fliesspressbecher aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung, im folgenden
kurz mit Aluminium bezeichnet, werden in grossen Stückzahlen hergestellt.
[0003] Die Autoindustrie verwendet Fliesspressbecher aus Aluminium z.B. als Pneumatik- und
Hydraulikzylinder, insbesondere als Stossdämperhülsen.
[0004] Die Elektroindustrie verarbeitet Fliesspressbecher aus Aluminium zur Herstellung
von Hochenergiebatterien, insbesondere Natrium-Schwefel-Hochenergiebatterien, für
Energiespeicher, die auch in Elektroautos eingesetzt werden können. Alle Teile einer
Natrium-Schwefel-Hochenergiebatterie sind in einem Zellbecher aus Aluminium untergebracht.
Dieser enthält auch einen keramischen Elektrolyten, der die beiden bei einer Arbeitstemperatur
von etwa 300 - 350°C flüssigen Reaktanden Natrium und Schwefel voneinander trennt.
Der keramische Elektrolyt ist für die Natriumionen permeabel, für die Elektronen dagegen
ein Isolator.
[0005] Sowohl die bei Pneumatik- und Hydraulikzylindern erforderliche Abriebfestigkeit
als auch die bei Batteriebechern notwendige chemische Resistenz gegen schmelzflüssige
Natriumpolysulfide und Schwefel erfordern schützende Einlagen in den Fliesspressbecher
aus Aluminium. Diese Schutzschichten gegen mechanische und/oder chemische Einwirkung
sind nach bekannten Herstellungsverfahren nur mit einer Reihe von sehr umständlichen
und teuren Arbeitsverfahren möglich.
[0006] Zur Herstellung von Pneumatik- und Hydraulikzylindern wird nach einem bekannten Verfahren
in einen fliessgepressten Aluminiumzylinder in einem weiteren Arbeitsgang unter einer
mechanischen oder hydraulischen Presse eine Stahlhülse eingepresst.
[0007] Nach einem ersten bekannten Verfahren zur Herstellung von Batteriebechern muss der
Boden des fliessgepressten Aluminiumbechers abgetrennt und die I(nnenwandung des
verbleibenden Rohres mit einer Metallegierung plasmagespritzt werden. Das Plasmaspritzen
ist ein aufwendiges Verfahren, welches sich nur ohne Becherboden durchführen lässt.
Es dient dem Schutz der Aluminiumhülse gegen den flüssigen Schwefel und flüssige Natriumpolysulfide,
welche letztere bei der Entladung der Hochenergiebatterie entstehen und mit ungeschütztem
Aluminium zu einem elektrisch nicht leitenden Aluminiumsulfat reagieren würden. Nach
dem Plasmaspritzen muss ein getrennter Becherboden hergestellt und an das Rohr geschweisst
werden, z.B. durch Elektronenstahlschweissen.
[0008] Ein zweites bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Batteriebechers besteht darin,
ein Aluminiumblech zu biegen und mittels einer Längsschweissnaht zu einem Rohr zusammenzuschweissen.
Anschliessend muss die Schweissnaht überschliffen und auf Dichtigkeit geprüft werden.
Danach folgen die im vorstehenden Abschnitt beschriebenen Arbeitsgänge, nämlich das
Plasmaspritzen, die Herstellung und das Einschweissen des Becherbodens.
[0009] Schliesslich ist es bekannt, Aluminiumrohre anstelle der Plasmabeschichtung innen
galvanisch zu beschichten. Diese galvanische Beschichtung ist jedoch, wie eine Plasmabeschichtung,
nicht absolut porenfrei.
[0010] Andere Beschichtungsverfahren zum Schutz der Innenseite eines Aluminiumbechers, wie
z.B. Lackieren oder Anodisieren, entfallen, weil die Beschichtung stromleitend sein
muss, damit der Batteriestrom beispielsweise an der Becherwand aus Aluminium abgenommen
werden kann.
[0011] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung eines
Verbundbechers der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem die in der Auto-
und Elektroindustrie üblichen, teuren Weiterverarbeitungsverfahren eines Fliesspressbechers
aus Aluminium entfallen. Mit wesentlich geringerem Arbeits- und damit Kostenaufwand
soll ein Verbundbecher entstehen, der die erforderliche Verschleissfestigkeit der
Innenwandung für Pleumatik- und Hydraulikzylinder und/oder den notwendigen Schutz
gegen die aggressiven Eigenschaften der flüssigen Elektrolyten der Natrium-Schwefel-Hochenergiebatterie
hat, also vielseitig verwendbar ist.
[0012] In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgmäss dadurch gelöst, dass
eine als Innenschicht des Verbundbechers dienende Hülse auf einen Fliesspressstempel
mit einer der Länge der bis zur Stirnseite des Stempels reichenden Hülse entsprechenden
Schulter als Anschlag aufgezogen, und der bestückte Fliesspressstempel in einem einzigen
Fliesspressvorgang gegen eine in einer Fliesspressmatrize geführte Aluminiumbutze
gedrückt wird, bis die Front des Aluminiums vollständig über die Hülse und teilweise
über die Schulter geflossen ist, der gebildetete Aussenbecher nach dem Zurückziehen
des Fliesspressstempels mit dem Verbundbecher durch Abkühlung des beim Verformen erhitzten
Aluminiums auf die Hülse aufgeschrumpft, der Fliesspressstempel aus der durch den
aufgeschrumpften Aussenbecher festgehaltenen Hülse gezogen, und der Verbundbecher
auf die Länge der Hülse besäumt wird.
[0013] Nach einer Variante der Erfindung wird eine als Innen schicht des Verbundbechers
dienende Hülse auf den Fliesspressstempel gezogen, welche in Richtung der Aluminiumbutze,
entsprechend einer stirnseitigen Anfasung oder Abrundung mit kleinem Radius des Fliesspressstempels,
eckig oder rund umgebördelt ist und die Anfasung oder Abrundung des Fliesspressstempels
wenigstens teilweise abdeckt.
[0014] Nach einer weiteren erfindungsgemässen Variante ist die als Innenschicht des Verbundbechers
dienende Hülse in Richtung der Aluminiumbutze geschlossen, also als Innenbecher, ausgebildet.
Der Fliesspressstempel ist in diesem Fall vollständig abgedeckt, er hat auch in diesem
Fall bevorzugt eine Anfasung oder Abrundung mit kleinem Radius.
[0015] Die gegen Verschleiss und/oder Korrosion schützenden Hülsen der Verbundfliesspressbecher
sind möglichst dünn ausgebildet, insbesondere 0,1 - 0,3 mm dick. Als Material eignet
sich in erster Linie Edelstahl, z.B. ein Edelstahl mit 9 % Nickel und 18 % Chrom (X5Cr18Ni9)
oder ein Edelstahl mit 17 % Chromanteil (X6Cr17), aber auch Titan. Schwerere Materialien
sind, wie dicker als angegeben ausgebildete Hülsen, insbesondere als Batteriebecher
ungünstig. In einer Natrium-Schwefel-Hochenergiebatterie eines Autos werden etwa
1000 Batteriebecher verwendet, weshalb das spezifische Gewicht des als Innenschicht
verwendeten Materials höchstens mittlere Werte annehmen und dessen Dicke den angegebenen
Bereich nicht überschreiten soll.
[0016] Der auf die Hülse fliessgepresste Aussenbecher aus Aluminium ist bevorzugt etwa
0,3 - 1,2 mm dick.
[0017] Die gesamte Wandstärke des Verbundbechers wird, unter Beachtung der erforderlichen
Stabilität, so dünn wie möglich hergestellt. Als Parameter für die minimal erreichbare
Dicke des Verbundfliesspressbechers fallen die verwendeten Materialien und die zur
Verfügung stehende Presse ins Gewicht.
[0018] Uebliche Standardabmessungen für die erfindungsgemässen Verbundfliesspressbecher
liegen im Bereich von 20 - 40 mm für den Durchmesser und 20 - 30 cm für die Länge,
bei einer gesamten Wanddicke von etwa 0,4 - 1,5 mm.
[0019] Die als Anschlag für die Hülse dienende Schulter des Fliesspressstempels kragt vorzugsweise
etwa 0,2 - 0,5 mm ab, je nach der Wanddicke der Hülse. Diese darf während des Fliesspressens
keinesfalls über die Schulter gestossen werden. Diese weist deshalb in bezug auf
die Längsachse des Fliesspressstempels vorzugsweise einen rechten oder besser einen
in Richtung der Hülse spitzen Winkel auf. Je geringer die Stufe von der Hülse zur
Schulter ist, desto einfacher kann diese von der Ummantelung aus Aluminium glatt überflossen
werden. Bei einer zu grossen Stufe würde das fliessende Aluminium an der Schulter
des Fliesspressstempels gestaucht und dadurch die Ablängung bzw. Besäumung des Verbundfliessbechers
erschwert.
[0020] Vorzugsweise wird vor dem Aufziehen der Hülse ein an sich bekanntes Schmiermittel
auf den Fliesspressstempel aufgetragen, insbesondere Molykote-Sprühöle oder Grafit-Oele.
[0021] Die Aluminiumbutzen werden zum Verformen zweckmässig in eine Fliesspressmatrize eingeführt,
welche eine automatische Kalibrierung mittels sich in Richtung des Fliesspressstempels
ausweitender Seitenwände der Matrizenöffnung für etwas zu grosse Rohlinge aufweist.
[0022] Das Verfahren wird vorzugsweise mit einem Takt von etwa 1 sec⁻¹ durchgeführt. Zweckmässig
werden dabei die Aluminiumbutzen und die Hülsen in nebeneinanderliegenden Zuführrinnen,
im gleichen Takt, zugeführt.
[0023] Das erfindungsgemässe Verfahren weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die Verbundfliesspressbecher
in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden können, und die bisher in der Auto-
und Elektroindustrie üblichen, sehr umständlichen und teuren Weiterverarbeitungsverfahren
von Fliesspressbechern aus Aluminium entfallen. Mit dem vorliegenden schnellen und
kostengünstigen Herstellungsverfahren für Verbundfliesspressbecher in einem einzigen
Fliesspressvorgang können mehrere tausend Stück pro Stunde fabriziert werden, was
eine wirtschaftliche Massenfertigung von vielen Millionen Bechern pro Jahr erlaubt.
[0024] Verbundfliesspressbecher, welche eine Hülse aus Edelstahl und einen Aussenmantel
aus einer AlMgSil-Legierung haben, eignen sich in erster Linie als Pneumatik- und
Hydraulikzylinder, insbesondere als Stossdämpferhülsen.
[0025] Verbundfliesspressbecher, welche einen Innenbecher aus Edelstahl und einen Aussenbecher
auch Reinaluminium oder einer AlMn1,4Cr-Legierung haben, sind in besonderem Masse
zur Verwendung als Batteriebecher in einer Hochenergiebatterie, insbesondere in einer
Natrium-Schwefel-Hochenergiebatterie, geeignet.
[0026] Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Fliesspressstempel und eine Fliesspressmatrize,
mit in den Fig. 1A und 1B dargestellten Details,
- Fig. 2 den Beginn des Fliesspressvorgangs mit den Werkzeugen gemäss Fig. 1,
- Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Verbundfliesspressbecher mit einer Hülse,
- Fig. 4 eine Variante von Fig. 3, mit gebördelter Hülse,
- Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Verbundfliesspressbecher mit einem Innenbecher,
und
- Fig. 6 ein Schema für die Zuführung von Aluminium butzen und Hülsen.
[0027] Der in Fig. 1 dargestellte Fliesspressstempel 10 weist entsprechend der Länge h
einer im vorliegenden Fall aus einem Edelstahl bestehenden Hülse 12 eine Schulter
14 auf. Die Hülse 12 stösst an dieser Schulter 14 an.
[0028] Fig. 1A zeigt den Bereich der Schulter 14 des Fliesspressstempels 10 im Detail.
Die Stirnfläche der Hülse 12 liegt an der Schulter 14 an, wobei im Uebergangsbereich
von der Hülse 12 zur Schulter 14 nur eine kleine Stufe S ausgebildet ist. So kann
das fliessgepresste Aluminium glatt über diese Stufe S hinwegfliessen.
[0029] Die Schulter 14 hat für die Hülse 12 in bezug auf die Axialrichtung L eine im spitzen
Winkel β verlaufende Auflagefläche. Damit wird gewährleistet, dass die Hülse 12 während
des Fliesspressens nicht über die Schulter 14 gestossen werden kann. Der Winkel β,
welcher im Grenzfall ein rechter Winkel sein kann, liegt üblicherweise etwa im Bereich
von 60 - 90°.
[0030] In Richtung der Fliesspressmatrize 16 weist der Fliesspressstempel 10 eine Anfasung
18 auf. Die Hülse 12 erstreckt sich über die Länge h bis zum Beginn dieser Anfasung
18 und ist entsprechend abgeschrägt. Dies wird in Fig. 1B vergrössert dargestellt.
Durch die kegelstumpfförmige Anfasung 18 und die entsprechende Ausbildung der Hülse
12, wird das Fliesspressen erleichtert.
[0031] Die Aluminiumbutze 20 liegt in einer Matrizenöffnung 22 der Fliesspressmatrize 16.
Diese Matrizenöffnung 22 hat nur eine geringe Tiefe, damit einerseits möglichst geringe
Reibkräfte überwunden werden müssen und andrerseits der Aussenmantel des fliessgepressten
Aluminiums nicht verletzt wird.
[0032] Die Matrizenöffnung 22 hat in Richtung des Fliesspressstempels 10 einen sich aufweitenden
Einlauf 24, wodurch eine automatische Kalibrierung für die Aluminiumbutzen gewährleistet
ist.
[0033] In der in Fig. 2 dargestellten Phase des Fliesspressvorgangs wird der Fliesspressstempel
10 in Richtung des Pfeils 26 gegen die in der Fliesspressmatrize 16 festliegende Aluminiumbutze
20 gedrückt. Das Aluminium hat bereits zu fliessen begonnen, es steigt in Richtung
des Pfeils 28 entlang der Hülse 12 und bildet so den Aussenmantel bzw. den Aussenbecher
30.
[0034] Die Front 32 des fliessenden Aluminiums 30 erreicht gegen das Ende des Vorschubs
des Fliesspressstempels 10 in Richtung des Pfeils 26 die Schulter 14 und überfliesst
diese etwas. Die Hülse 12 muss vollständig vom Aussenbecher 30 umgeben sein. Da die
Maschine nicht so exakt eingestellt werden kann, dass die Front 32 des Aussenbechers
30 genau an der Schulter 14 anliegt, muss diese überflossen und der Aussenbecher 30
auf die Länge der Hülse 12 besäumt werden.
[0035] Fig. 3 zeigt einen fertigen Verbundfliesspressbecher 34, aus welchem der Fliesspressstempel
10 in Richtung des Pfeils 36 herausgezogen wird.
[0036] Der Verbundfliesspressbecher 34 gemäss Fig. 3 ist insbesondere für Stossdämpferhülsen
und Batteriebecher mit ausschliesslich seitlicher Stromabnahme geeignet. Falls für
eine besondere Verwendung lediglich eine Verbundhülse gebraucht wird, kann der aus
Aluminium bestehende Boden 38 abgetrennt werden.
[0037] Fig. 4 unterscheidet sich von Fig. 3 lediglich dadurch, dass die Hülse 12 im Bereich
des unteren Randes eine Umbördelung 40 aufweist. Diese ist im vorliegenden Fall als
Anschrägung entlang der Anfasung 18 des Fliesspressstempels dargestellt. Die Umbördelung
40 kann jedoch, wie oben bereits erwähnt, auch angerundet ausgebildet sein, je nach
Ausbildung des unteren Randes des Fliesspressstempels 10 in Form einer Anfasung 18
oder Abrundung mit kleinem Radius.
[0038] Eine Umbördelung 40 wirkt sich in doppeltem Sinn positiv aus. Sie erschwert einerseits
das Eindringen von Aluminium zwischen den Fliesspressstempel 10 und die Hülse 12 und
erleichtert andrerseits ein Fliessen des Aluminiums ohne Abheben.
[0039] Der Verbundfliesspressbecher nach Fig. 4 hat eine unten verschlossene Hülse 12, also
einen Innenbecher. Dieser liegt ebenfalls der Anfasung 18 des Fliesspresstempels 10
an, indem eine entsprechende Abschrägung 40 ausgebildet ist.
[0040] Ein Verbundfliesspressbecher 34 mit einem Innenbecher 12 ist insbesondere als Batteriebecher
geeignet, weil der Boden 38 auch dann nicht dem Angriff der korrosiven Medien ausgesetzt
ist, wenn der Gleichstrom der Batterie am Boden oder am Boden und an der Aussenwand
abgenommen wird. Der Uebergang vom Innenbecher 12 zum Aussenbecher 30 ist hier stromleitend
ausgebildet, wobei die Verfahrensparameter vorzugsweise so eingestellt sind, dass
zwischem dem Aussenbecher 30 aus Aluminium und einem Innenbecher 12, beispielsweise
aus Edelstahl, eine metallische Bindung entsteht.
[0041] Fig. 6 zeigt die in der Längsachse L des Fliesspressstempels 10 angeordneten Hülse
12, Aluminiumbutze 20 und Fliesspressmatrize 16. Wird der Fliesspressstempel 10 in
Richtung des Pfeils 26 entlang der Längsachse L verschoben, wird vorerst die Hülse
12 auf den Fliesspressstempel 10 aufgezogen. Gleichzeitig wird die Aluminiumbutze
20 in Richtung der Fliesspressmatrize 16 verschoben und in die Matrizenöffnung 22
gestossen. Spätestens beim Erreichen des Anschlags 42 durch die Aluminiumbutze 20
ist die Hülse 12 vollständig auf den Fliesspressstempel 10 aufgezogen. Durch Fortsetzung
der Bewegung des Fliesspressstempels 10 in Richtung des Pfeils 26, welche Bewegung
schlagartig erfolgt, fliesst das Aluminium über die Hülse 12.
[0042] Darauf wird der Fliesspressstempel 10 zurückgezogen, der Aussenbecher 30 (Fig. 2
- 5) gekühlt und dadurch auf die Hülse 12 aufgeschrumpft. Der Verbundbecher 34 (Fig.
3 - 5) wird schliesslich von Fliesspressstempel 10 abgestreift. Die letztgenannten
Arbeitsschritte sind in Fig. 6 nicht dargestellt.
[0043] Sofort nach dem Zurückziehen des Fliesspressstempels 10 rollen aus der schräggestellten
Zuführrinne 44 eine Aluminiumbutze und aus der ebenfalls schräggestellten Zuführrinne
46 eine Hülse 12 in Richtung des Pfeils 48 nach.
[0044] Bei der Rückführung des Fliesspressstempels 10 in Richtung des Pfeils 26 sind Aluminiumbutze
20 und Hülse 12 in der Längsachse L so positioniert, dass der nächste Arbeitstakt
erfolgen kann.
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbechers mit einem Aussenbecher aus Reinaluminium
oder einer Aluminiumlegierung und einer wenigstens im Bereich des Mantels angeordneten
Innenschicht aus einem abriebfesten und/oder elektrisch leitenden, chemisch beständigen
Material,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine als Innenschicht des Verbundbechers (34) dienende Hülse (12) auf einen Fliesspressstempel
(10) mit einer der Länge (h) der bis zur Stirnseite des Stempels reichenden Hülse
(12) entsprechenden Schulter (14) als Anschlag aufgezogen, und der bestückte Fliesspressstempel
(10) in einem einzigen Fliesspressvorgang gegen eine in einer Fliesspressmatrize (16)
geführte Aluminiumbutze (20) gedrückt wird, bis die Front (32) des Aluminiums vollständig
über die Hülse (12) und teilweise über die Schulter (14) geflossen ist, der gebildete
Aussenbecher (30) nach dem Zurückziehen des Fliesspressstempels (10) mit dem Verbundbecher
(34) durch Abkühlung des beim Verformen erhitzten Aluminiums auf die Hülse (12) aufgeschrumpft,
der Fliesspressstempel (10) aus der durch den aufgeschrumpften Aussenbecher (30) festgehaltenen
Hülse (12) gezogen, und der Verbundbecher (34) auf die Länge (h) der Hülse (12) besäumt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Richtung der Aluminiumbutze
(20) eckig oder rund umgebördelte Hülse (12) auf den stirnseitig entsprechend mit
einer Anfasung (18) oder Abrundung versehenen Fliesspressstempel (10) aufgezogen wird,
welche Umbördelung (40) die Anfasung (18) oder Abrundung des Fliesspressstempels
(10) wenigstens teilweise abdeckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Richtung
der Aluminiumbutze (20) geschlossene Hülse (12), ein Innenbecher, auf den Fliesspressstempel
(10) aufgezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise
0,1 - 0,3 mm dicke Hülse (12) aus Edelstahl oder Titan auf den Fliesspressstempel
(10) aufgezogen und mit einem 0,3 - 1,2 mm dicken Aussenbecher aus Aluminium überzogen
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fliesspressstempel
(10) mit einer 0,2 - 0,5 mm abkragenden Schulter (14), welche in bezug auf die Längsachse
(L) einen rechten oder vorzugsweise spitzen Winkel (β) aufweist, eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem
Aufziehen der Hülse (12) ein Schmiermittel auf den Fliesspressstempel (10) aufgetragen
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbutzen
(20) in eine Fliesspressmatrize (16) mit einer automatischen Kalibrierung, einen
sich in Richtung des Fliesspressstempels (10) aufweitenden Einlauf (24) für zu grosse
Rohlinge, geführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbutzen
(20) und die Hülsen (12) aus nebeneinanderliegenden Zuführrinnen (44, 46) im gleichen,
der Bewegung des Fliesspressstempels (10) entsprechenden Takt zugeführt werden, vorzugsweise
etwa 1 sec⁻¹.
9. Verwendung von mit dem Verfahren nach einem der An sprüche 1 - 8 hergestellten
Verbundfliesspressbechern (34), welche eine Hülse (12) aus Edelstahl und einen Aussenbecher
(30) aus einer AlMgSil-Legierung haben, als Pneumatik- und Hydraulikzylinder, insbesondere
als Stossdämpferhülsen.
10. Verwendung von mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8 hergestellten
Verbundfliesspressbechern (34), welche eine als Innenbecher ausgebildete Hülse (12)
aus Edelstahl und einen Aussenbecher (30) aus Reinaluminium oder einer AlMn1,4Cr-Legierung
haben, als Batteriebecher in einer Hochenergiebatterie, insbesondere in einer Natrium-Schwefel-Hochenergiebatterie.